本發(fā)明涉及一種水凝膠及其制備方法，特別涉及一種自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

殼聚糖是自然界中唯一的陽性線性多糖，其基本單位為葡萄糖胺，具有生物相容性好、無毒副作用、來源豐富等特點，己在食品工業(yè)、藥物制劑、醫(yī)用高分子材料的合成等領(lǐng)域得到廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。基于不同機(jī)理(共價、離子、氫鍵)，殼聚糖可以形成水凝膠，這已經(jīng)有不少相關(guān)報道。殼聚糖與戊二醛等可以形成化學(xué)凝膠，也可以和巰基乙酸、丙烯酸、草酸等形成物理凝膠。另外殼聚糖與金屬離子或是其他生物聚合物(例如:還原膠、卡拉膠等)通過靜電作用形成離子交聯(lián)鍵而成為凝膠。然而，這些殼聚糖水凝膠的形成均需另外加入交聯(lián)劑如戊二醛等，交聯(lián)劑的使用存在以下缺陷：(1)由于戊二醛與殼聚糖上氨基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)極為迅速，導(dǎo)致戊二醛與殼聚糖水溶液很難混合均勻；(2)由于溶液黏度很大，難以在體系交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生之前除去溶液中大量的氣泡，導(dǎo)致凝膠內(nèi)部存在大量的氣孔，凝膠的均勻性很差，溶脹過程中極易發(fā)生破碎；(3)很多藥物都帶有氨基，若實施原位載藥，極易與戊二醛發(fā)生反應(yīng)；(4)戊二醛有毒，殘留對人體有害。

為了消除使用化學(xué)交聯(lián)劑而帶來的諸多弊端，對于不需要化學(xué)交聯(lián)劑的金屬配位水凝膠的研究已引起人們的極大關(guān)注。配位作用可以使高分子與金屬離子之間形成配位鍵而獲得水凝膠，這種交聯(lián)作用可以快速而有效地交聯(lián)聚合物分子，而且所形成的水凝膠具有自修復(fù)性。最近，貽貝仿生化學(xué)引起了人們的極大興趣，即在聚合物的側(cè)鏈引入兒茶酚基團(tuán)以得到可發(fā)生金屬配位作用的衍生物，其溶液與金屬離子(Fe³⁺、Ca²⁺、Ag⁺)配位作用形成水凝膠，可是這種水凝膠不具有光敏性，作為生物黏附材料、組織工程及可控釋放藥物載體方面應(yīng)用有很大的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的第一目的是提供一種自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠，該水凝膠不含任何交聯(lián)劑，同時具備自修復(fù)性和光敏性，可在紫外光照射下轉(zhuǎn)變?yōu)樗苣z；本發(fā)明的第二目的是提供該殼聚糖水凝膠的制備方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠，其分子結(jié)構(gòu)式為：

本發(fā)明所述的一種自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

(1)以羧甲基殼聚糖與硝基多巴胺為原料進(jìn)行酰化反應(yīng)，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物；

(2)將含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物的水溶液與Fe³⁺溶液混合，調(diào)節(jié)混合溶液的pH至6.5～9.5，得到自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠。

具體的，步驟(1)中，將羧甲基殼聚糖溶解于水中，在惰性氣體保護(hù)下加入硝基多巴胺進(jìn)行?；磻?yīng)，反應(yīng)后在水中透析、真空冷凍干燥，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物。

優(yōu)選的，加入的羧甲基殼聚糖的質(zhì)量與硝基多巴胺的摩爾數(shù)之比為100:0.5～5。

上述羧甲基殼聚糖的分子量M_n為10kDa～100kDa，取代度D_s為0.3～0.5。

較優(yōu)的，?；磻?yīng)中加入組合催化劑，該組合催化劑為N-羥基丁二酰亞胺和1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺。

進(jìn)一步的，N-羥基丁二酰亞胺、1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺與硝基多巴胺的摩爾比為0.5～5:0.5～5:0.5～5。

上述?；磻?yīng)在室溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)時間為5～50h。

上述步驟(2)中，含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物水溶液的濃度為10～80mg/mL，F(xiàn)e³⁺溶液中Fe³⁺的濃度為5～150mmol/L。

進(jìn)一步的，F(xiàn)e³⁺溶液為Fe³⁺的酸性溶液，反應(yīng)時，使溶膠pH值變化緩慢，可防止凝膠過快，影響其機(jī)械性能。

發(fā)明原理：首先，通過羧甲基殼聚糖的羧基與硝基多巴胺的氨基發(fā)生酰胺化反應(yīng)引入具有很好金屬配位能力和光敏感的硝基多巴胺基團(tuán)，反應(yīng)過程如下式：

然后將得到的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物與金屬離子配位發(fā)生交聯(lián)，使制得的殼聚糖水凝膠實現(xiàn)自修復(fù)性，同時，多巴胺具有很好生物相容性，從而可降低水凝膠對生物體的毒性，最終得到的殼聚糖水凝膠具有生物黏附性、自修復(fù)性和光敏性。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠具有黏附性強(qiáng)、順應(yīng)性良好、時空可控性強(qiáng)的特點，作為傷口敷料，可以在創(chuàng)傷面上較長時間地維持一個最佳濕潤環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞遷移，從而可以促進(jìn)傷口的上皮化，加速傷口的愈合；(2)本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠不僅具有自修復(fù)性，還具有光敏性，在波長365nm紫外光照射下，該殼聚糖水凝膠可轉(zhuǎn)變?yōu)樗苣z，作為傷口愈合敷料、組織工程粘結(jié)劑、藥物可控釋放載體材料具有廣闊的應(yīng)用前景；(3)本發(fā)明一改過去通過化學(xué)交聯(lián)來制備水凝膠的方法，而采用貽貝仿生化學(xué)的方法，多巴胺具有很好生物相容性，通過將含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物與金屬離子配位發(fā)生交聯(lián)，降低了傳統(tǒng)方法制備的水凝膠對生物體的毒性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠的分子結(jié)構(gòu)式；

圖2為本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠在制備過程中的形態(tài)變化圖；

圖3為本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠在自修復(fù)過程中的形態(tài)變化圖；

圖4為本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠在紫外燈光照射下的形態(tài)變化圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠，其分子結(jié)構(gòu)式如圖1。

該自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠的制備方法包括如下步驟：

(1)以羧甲基殼聚糖和硝基多巴胺為原料，通過羧甲基殼聚糖的羧基與硝基多巴胺的氨基發(fā)生酰胺化反應(yīng)為殼聚糖引入具有很好金屬配位能力和光敏感的硝基多巴胺基團(tuán)，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物；

(2)將一定濃度的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物的水溶液與一定濃度的Fe³⁺溶液混合，F(xiàn)e³⁺與多巴胺可形成單齒、雙齒及三齒配合物，同時Fe³⁺還兼具氧化作用，從而可得到具有自修復(fù)性和生物黏附性的殼聚糖水凝膠，如圖2。

殼聚糖是天然生物高分子，來源極為廣泛、安全無毒，價格低廉，與合成高分子相比，具有良好的生物相容性和生物可降解性，因此，以殼聚糖為原料，制得的殼聚糖水凝膠作為傷口敷料具有很高的環(huán)境友好性和生物安全性。

實施例1

(1)制備含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物

取100mg羧甲基殼聚糖(Mn＝1.0×10⁴Da，D_S＝0.3)溶解于50mL的去離子水中，在通氮氣保護(hù)下加入5mL含58mg(0.5mmol)N-羥基丁二酰亞胺(NHS)和99mg(0.5mmol)硝基多巴胺硫酸氫鹽(Mn＝198)的DMF溶液，再加入96mg(0.5mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫條件下攪拌反應(yīng)24h。在去離子水中透析兩天、真空冷凍干燥，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物。

(2)制備自修復(fù)、光敏感殼聚糖水凝膠

將步驟(1)制備的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物溶于20mL水得到濃度為10mg/mL的溶液，與5mL5mmol/L FeCl₃醋酸溶液混合攪拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH至6.5，得到黃褐色的殼聚糖水凝膠。

對本實施例制得的殼聚糖水凝膠的性能進(jìn)行檢測，具體實驗方法及測試結(jié)果如下實驗一至實驗四。

實驗一：殼聚糖水凝膠的自修復(fù)性實驗

采用步驟(1)～(2)的方法制得兩份殼聚糖水凝膠，然后將它們緊貼放置，由圖3可以看出，5分鐘后發(fā)現(xiàn)兩個凝膠連在一起，可見，本發(fā)明制得的殼聚糖水凝膠具有良好的自修復(fù)性。

實驗二：殼聚糖水凝膠的光敏感性實驗

將步驟(2)制得的殼聚糖水凝膠用波長為365nm、功率為20W的紫外燈光照射，有圖4可以看出，照射10分鐘后，該殼聚糖水凝膠變成了水溶膠。

實驗三：殼聚糖水凝膠的吸水率實驗

將完全干燥的殼聚糖水凝膠切割成方塊型樣品并稱量。然后，將樣品沉浸在磷酸鹽緩沖液(pH值7.4；PBS)，在特定的時間間隔，即分別于12小時后迅速將樣品拿出溶液。用紙巾擦試樣品后，稱量其重量，直至樣品吸水飽和后，停止測量。殼聚糖水凝膠的吸水率按下述公式進(jìn)行計算：

吸水率(％)＝(Ws-Wd)×100/Wd；

式中，Wd代表水凝膠干燥時的重量，而Ws代表水凝膠吸水飽和時的重量。

實驗測得本實施例制得的殼聚糖水凝膠的吸水率為102％。

實驗四：殼聚糖水凝膠的黏附強(qiáng)度實驗

取豬的新鮮背部正常皮膚組織切割成條狀(4.0cm×2.0cm，厚1.5mm)，將兩塊皮膚組織2.0cm一邊緊密地平貼；將步驟(1)制得的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物溶解得到其水溶液(10mg/mL)，取10μL該殼聚糖水溶液與2μL Fe³⁺溶液混合滴入兩皮膚組織緊鄰的空隙，再緩緩滴入1mol/L的NaOH溶液，可以觀察到空隙處逐漸形成黃褐色的殼聚糖水凝膠。5分鐘后，用力學(xué)測試機(jī)來測試其黏附強(qiáng)度。

實驗測得空隙處形成的殼聚糖水凝膠的黏附強(qiáng)度為135.8kPa。

實施例2

(1)制備含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物

取100mg羧甲基殼聚糖(Mn＝3.6×10⁴Da，D_S＝0.4)溶解于50mL的去離子水中，在通氮氣保護(hù)下加入5mL含230mg(2.0mmol)N-羥基丁二酰亞胺(NHS)和792mg(4.0mmol)硝基多巴胺硫酸氫鹽(Mn＝198)的DMF溶液，再加入384mg(2.0mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫條件下攪拌反應(yīng)5h。然后在去離子水中透析兩天、真空冷凍干燥，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物。

(2)自修復(fù)、光敏感殼聚糖凝膠的制備

將步驟(1)制備的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物溶于20mL水得到濃度為40mg/mL溶液，與5mL80mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合攪拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH為7.5，得到黃褐色的殼聚糖水凝膠。

實驗一：殼聚糖水凝膠的自修復(fù)性實驗

采用步驟(1)～(2)的方法制得兩份殼聚糖水凝膠，然后將它們緊貼放置，7分鐘后發(fā)現(xiàn)兩個凝膠連在一起。

實驗二：殼聚糖水凝膠的光敏感性實驗

將步驟(2)制得的殼聚糖水凝膠用波長為365nm、功率為20W的紫外燈光照射，照射8分鐘后，該殼聚糖水凝膠變成了水溶膠。

實驗三：殼聚糖水凝膠的吸水率實驗

參照實施例1中的吸水率測試方法，測得本實施例制得的殼聚糖水凝膠的吸水率為96.8％。

實驗四：殼聚糖水凝膠的黏附強(qiáng)度實驗

參照實施例1的黏附強(qiáng)度測試方法，以本實施例中步驟(1)制得的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物為原料在兩皮膚組織緊鄰空隙處形成殼聚糖水凝膠，并測量形成的殼聚糖水凝膠的黏附強(qiáng)度，實驗測得的黏附強(qiáng)度為141.5kPa。

實施例3

(1)制備含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物

取100mg羧甲基殼聚糖(Mn＝5×10⁴Da，D_S＝0.4)溶解于50mL的去離子水中，在通氮氣保護(hù)下加入10mL含345mg(3.0mmol)N-羥基丁二酰亞胺(NHS)和990mg(5.0mmol)硝基多巴胺硫酸氫鹽的DMF溶液，再加入576mg(3.0mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫條件下攪拌反應(yīng)50h。然后在去離子水中透析兩天、真空冷凍干燥，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物。

(2)自修復(fù)、光敏感殼聚糖凝膠的制備

將步驟(1)制備的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物溶于20mL水得到濃度為80mg/mL溶液，與5mL100mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合攪拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH為8.5，得到黃褐色的殼聚糖水凝膠。

對制得的殼聚糖水凝膠進(jìn)行自修復(fù)性實驗和光敏感性實驗，實驗結(jié)果與實施例1相近，即制得的殼聚糖水凝膠具備良好的自修復(fù)性和光敏感性。

參照實施例1中的吸水率測試方法及黏附強(qiáng)度測試方法，測得本實施例制得的殼聚糖水凝膠的吸水率為113.7％，黏附強(qiáng)度為121.4kPa。

實施例4

(1)制備含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物

取100mg羧甲基殼聚糖(Mn＝10×10⁴Da，D_S＝0.5)溶解于50mL的去離子水中，在通氮氣保護(hù)下加入5mL含575mg(5mmol)N-羥基丁二酰亞胺(NHS)和990mg(5mmol)硝基多巴胺硫酸氫鹽(Mn＝198)的DMF溶液，再加入910mg(5mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺(EDC)，室溫條件下攪拌反應(yīng)50h。然后在去離子水中透析兩天、真空冷凍干燥，得到含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物。

(2)自修復(fù)、光敏感殼聚糖凝膠的制備

將步驟(1)制備的含硝基多巴胺基團(tuán)的殼聚糖衍生物溶于25mL水得到濃度為80mg/mL溶液，與5mL150mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合攪拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH為9.5，得到黃褐色的殼聚糖水凝膠。

對制得的殼聚糖水凝膠進(jìn)行自修復(fù)性實驗和光敏感性實驗，實驗結(jié)果與實施例1相近，即制得的殼聚糖水凝膠具備良好的自修復(fù)性和光敏感性。

參照實施例1中的吸水率測試方法及黏附強(qiáng)度測試方法，測得本實施例制得的殼聚糖水凝膠的吸水率為116.3％，黏附強(qiáng)度為137.5kPa。

實施例5硝基多巴胺的量對制得的殼聚糖水凝膠性能的影響

參照實施例1的方法，進(jìn)行5組平行實驗，區(qū)別在于步驟(1)中加入的硝基多巴胺的量分別為0.1mmol、0.5mmol、3mmol、5mmol和7mmol，最終制得的殼聚糖水凝膠的性能如下表1。

表1加入不同量的硝基多巴胺制得的殼聚糖水凝膠的性能

由表1可以看出，?；磻?yīng)中加入的硝基多巴胺的量直接影響形成的殼聚糖水凝膠的自修復(fù)性能、吸水性和粘附性，當(dāng)加入的羧甲基殼聚糖的質(zhì)量與硝基多巴胺的摩爾數(shù)之比為100:0.5～5時，殼聚糖水凝膠的自修復(fù)凝膠化時間明顯縮短，僅為5～6min，同時，其吸水性和粘附性顯著提升，吸水率達(dá)到102％～107％，黏附強(qiáng)度達(dá)到135.8～141kpa，可以較好地黏附在創(chuàng)面上，并在創(chuàng)傷面上較長時間地維持一個最佳濕潤環(huán)境，加速傷口的愈合。

實施例6羧甲基殼聚糖的取代度對制得的殼聚糖水凝膠性能的影響

參照實施例1的方法，進(jìn)行5組平行實驗，區(qū)別在于步驟(1)中羧甲基殼聚糖的取代度分別為0.2、0.3、0.4、0.5和0.6，最終制得的殼聚糖水凝膠的性能如下表2。

表2以不同取代度的羧甲基殼聚糖為原料制得的殼聚糖水凝膠的性能

由表2可知，羧甲基殼聚糖的取代度也是影響殼聚糖水凝膠性能的重要因素，當(dāng)選取的羧甲基殼聚糖的取代度為0.3～0.5時，形成的殼聚糖水凝膠的自修復(fù)性、吸水性和粘附性均達(dá)到最強(qiáng)，其自修復(fù)凝膠化時間僅為5～6min，同時，其吸水率為102％～112％，黏附強(qiáng)度為135.8～142kpa，用作傷口愈合敷料、組織工程粘結(jié)劑等方面性能優(yōu)異；當(dāng)羧甲基殼聚糖的取代度大于0.5或小于0.3時，形成的殼聚糖水凝膠的自修復(fù)性、吸水性和粘附性均大幅減弱。